JP2007506968A - Sensor array integrated electrochemical chip, formation method thereof, and electrode coating - Google Patents
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Abstract
【課題】
【解決手段】 複数の電極を備えるセンサーアレイ集積型電気化学チップを提供する。複数の電極は開口部を有するカバープレートと結合したベースプレート上に形成されてよい。その開口部は窓又はくぼみである。これらのプレートは、複数の電極が内部に配置されるキャビティを形成するように隣接している。複数の電極を電気化学機器に接続する複数の導電線は、電極が形成されているベースプレートの表面と同じ表面上に形成されてよい。該電極のうち少なくとも一つの電極はフェロセン化合物でドープされた被膜により被覆されてよい。この被膜は、ベンゾイルフェロセンドープ脂質二重膜であってよい。ドープしたフェロセン化合物は、酸化されてよい。
【Task】
A sensor array integrated electrochemical chip having a plurality of electrodes is provided. The plurality of electrodes may be formed on a base plate coupled to a cover plate having an opening. The opening is a window or indentation. These plates are adjacent so as to form a cavity in which a plurality of electrodes are disposed. The plurality of conductive lines connecting the plurality of electrodes to the electrochemical device may be formed on the same surface as the surface of the base plate on which the electrodes are formed. At least one of the electrodes may be covered with a film doped with a ferrocene compound. This coating may be a benzoylferrocene-doped lipid bilayer. The doped ferrocene compound may be oxidized.
Description
本発明は、センサーアレイ集積型電気化学チップ、その形成方法及び電極被覆に関する。 The present invention relates to a sensor array integrated electrochemical chip, a method for forming the chip, and electrode coating.
電気化学センサーは、流動体中の目標化学物質又は生化学物質の存在を検出する、或いはその濃度を測定するのに有用である。 Electrochemical sensors are useful for detecting the presence or measuring the concentration of a target chemical or biochemical in a fluid.
典型的な電気化学センサーは、検出電極(作用電極又は測定電極としても知られる)と、対向電極(補助電極としても知られる)及び参照電極のうちの一つ又は両方とを備える。これらの電極は、動作中は、目標物質を含有する流動体に浸漬されている。電気化学反応における重要な工程は、作用電極表面と界面領域における(又は、流動体における若しくは電極表面に固定化された)分子との間を電子が移動する工程である。作用電極が目標物質に触れると、電気信号が検出される。この電気信号は、電極の電位の変化又は電極を通る電子の流れ(電流)により生じる。この電位の変化又は電子の流れは、電極表面で起こるレドックス反応として知られる酸化還元反応の結果として、電極に与えられる電圧信号に応じて生成される。 A typical electrochemical sensor includes a detection electrode (also known as a working or measurement electrode) and one or both of a counter electrode (also known as an auxiliary electrode) and a reference electrode. During operation, these electrodes are immersed in a fluid containing the target substance. An important step in the electrochemical reaction is the movement of electrons between the working electrode surface and the molecules in the interface region (or in the fluid or immobilized on the electrode surface). When the working electrode touches the target material, an electrical signal is detected. This electrical signal is generated by a change in the potential of the electrode or the flow of current (current) through the electrode. This potential change or electron flow is generated in response to a voltage signal applied to the electrode as a result of a redox reaction known as a redox reaction occurring at the electrode surface.
センサーが備える電極は、そのセンサーの特性、選択性及び検出感度を制御する被膜により被覆されていてもよい。例えば、電極と流動体との界面における電気抵抗を制御することが望ましいこともある。界面における抵抗は、電極の電流応答に影響を与える。なぜなら、界面における抵抗は、電極に触れる電解質の透水性に影響を及ぼし、その結果としてS/N比に影響を及ぼすからである。この点に関して、脂質二重膜(s−BLM))に支持される金属が電極への被覆として用いられてきた。例えば、Tien et al., "Supported Bilayer Lipid Membranes as Ion and Molecular Probes", Analytical Sciences, (1998), vol. 14, p. 3.を参照されたい。しかしながら、公知のs−BLM被膜では、電気抵抗が限定的に増加するのみである。更に、公知のs−BLM被膜では、被覆材料の抵抗が制御しにくく、且つ形成された被膜が実験室レベルでの厳しい取り扱いによって損傷を受けてしまうために、安定した比抵抗を得ることが難しい。 The electrode provided in the sensor may be covered with a film that controls the characteristics, selectivity, and detection sensitivity of the sensor. For example, it may be desirable to control the electrical resistance at the interface between the electrode and the fluid. Resistance at the interface affects the current response of the electrode. This is because the resistance at the interface affects the water permeability of the electrolyte that touches the electrode, and consequently the S / N ratio. In this regard, metals supported on lipid bilayers (s-BLM) have been used as coatings on the electrodes. See, for example, Tien et al., “Supported Bilayer Lipid Membranes as Ion and Molecular Probes”, Analytical Sciences, (1998), vol. 14, p. However, with the known s-BLM coating, the electrical resistance only increases to a limited extent. Furthermore, with the known s-BLM coating, the resistance of the coating material is difficult to control, and the formed coating is damaged by strict handling at the laboratory level, so it is difficult to obtain a stable specific resistance. .
センサーアレイ集積デバイスは、小型であり、且つ同じ成分を異なる測定点で同時に分析する又は一のサンプルの異なる成分を同時に分析するのに用いることができるため、有用である。電気化学センサーアレイ集積デバイスを形成するために、多くの技術が用いられてきた。例えば、Nisch等の米国特許6,315,940は、ベースプレートとカバープレートを備えたマイクロ素子デバイスであって、該カバープレートは複数の微小なキュベットを有しており、カバープレートの微小なキュベット内に形成された、ベースプレートの表面上に形成された、又はカバープレートとベースプレートに挟まれた第3のプレート中に形成された検出電極を微小なキュベットの夫々が含んでいるマイクロ素子デバイスを開示している。しかしながら、これらの既存の技術には、集積デバイスの加工工程が比較的複雑であるという短所がある。 Sensor array integrated devices are useful because they are small and can be used to analyze the same component at different measurement points simultaneously or to analyze different components of a sample simultaneously. A number of techniques have been used to form electrochemical sensor array integrated devices. For example, US Pat. No. 6,315,940 of Nisch et al. Is a microelement device having a base plate and a cover plate, the cover plate having a plurality of micro cuvettes, Each of the micro cuvettes includes a detection electrode formed on the surface of the base plate or formed in a third plate sandwiched between the cover plate and the base plate. ing. However, these existing technologies have the disadvantage that the integrated device fabrication process is relatively complex.
従って、電極の被覆を改良し、電極及びセンサーアレイ集積型電気化学チップを形成する手法を改良する必要がある。 Therefore, there is a need to improve the method of forming the electrode and sensor array integrated electrochemical chip by improving the electrode coating.
電極のアレイを備えるセンサーアレイ集積型電気化学チップを提供する。該電極のアレイのうちの少なくとも一つの電極は、フェロセン化合物でドープされた被膜により被覆されてよい。電極のアレイは、カバープレートと結合したベースプレート上に形成されてよい。このカバープレートは、ベースプレートとカバープレートとにより形成されるキャビティ内に電極のアレイが存在するように、開口部を有している。複数の電極を電気化学機器に接続する複数の導電線は、複数の電極が形成されているベースプレートの同じ表面に形成されてよい。 A sensor array integrated electrochemical chip comprising an array of electrodes is provided. At least one electrode of the array of electrodes may be coated with a coating doped with a ferrocene compound. The array of electrodes may be formed on a base plate coupled with a cover plate. The cover plate has an opening so that an array of electrodes exists in a cavity formed by the base plate and the cover plate. The plurality of conductive lines connecting the plurality of electrodes to the electrochemical device may be formed on the same surface of the base plate on which the plurality of electrodes are formed.
本発明の一の態様によれば、電極のアレイを備え、該電極のアレイのうち少なくとも一つの電極はフェロセン化合物でドープされた被膜により被覆されているセンサーアレイ集積型電気化学チップが提供される。 According to one aspect of the present invention, there is provided a sensor array integrated electrochemical chip comprising an array of electrodes, wherein at least one electrode of the array of electrodes is coated with a film doped with a ferrocene compound. .
本発明の他の態様によれば、導電層を第1支持体に蒸着させ、且つ導電層をエッチングして電極のアレイを形成することにより、第1プレートを形成する第1プレート形成工程と、第2支持体の開口部をエッチングすることにより、第2プレートを形成する第2プレート形成工程と、電極のアレイが内部に配置されるキャビティを第1プレートと第2プレートとが形成するように、第2プレートを第1プレートに結合させる結合工程とを備える電気化学チップの形成方法が提供される。開口部は窓又はくぼみであってよい。この方法は、電極のアレイのうち少なくとも一つの電極を、フェロセン化合物でドープされた被膜で被覆する被覆工程を更に備えてよい。この方法は、フェロセン化合物を酸化する酸化工程と更に備えてよい。 According to another aspect of the invention, a first plate forming step of forming a first plate by depositing a conductive layer on a first support and etching the conductive layer to form an array of electrodes; Etching the opening of the second support so that the first plate and the second plate form a second plate forming step for forming the second plate, and a cavity in which the array of electrodes is disposed. And a bonding step of bonding the second plate to the first plate. The opening may be a window or a depression. The method may further comprise a coating step of coating at least one electrode of the array of electrodes with a coating doped with a ferrocene compound. This method may further comprise an oxidation step of oxidizing the ferrocene compound.
本発明のさらに他の態様によれば、金属アレイを形成する金属アレイ形成工程と、金属アレイの少なくともいくつかの要素を、フェロセン化合物でドープされた脂質二重膜で被覆する被覆工程とを備える電気化学チップの形成方法が提供される。 According to still another aspect of the present invention, the method includes a metal array forming step of forming a metal array, and a coating step of coating at least some elements of the metal array with a lipid bilayer membrane doped with a ferrocene compound. A method of forming an electrochemical chip is provided.
本発明のさらに他の態様によれば、電極被膜においてフェロセン化合物をドーパントとして用いるフェロセン化合物の使用法が提供される。 According to still another aspect of the present invention, there is provided a method of using a ferrocene compound that uses a ferrocene compound as a dopant in an electrode coating.
本発明のさらに他の態様によれば、電極のアレイを備える第1プレートと、開口部を有しており、且つ電極のアレイが内部に配置されるキャビティを第1プレートと共に形成するように第1プレートに結合される第2プレートとを備えるセンサーアレイ集積型電気化学チップが提供される。開口部は窓又はくぼみであってよい。第1プレートは、電極のアレイが形成された第1プレートの同じ表面上に、夫々が複電極のアレイのうちの一の電極から電極のアレイの周縁部をこえて外側に伸びている複数の導電線を備えていてもよい。 According to yet another aspect of the present invention, a first plate having an array of electrodes and a cavity having an opening and in which the array of electrodes is disposed are formed together with the first plate. A sensor array integrated electrochemical chip comprising a second plate coupled to one plate is provided. The opening may be a window or a depression. A plurality of first plates extending on the same surface of the first plate on which the array of electrodes is formed, each extending outward from one electrode of the array of multiple electrodes beyond the periphery of the array of electrodes; A conductive wire may be provided.
本発明におけるその他の態様と特徴と利益とは、添付図面と併せて次の本発明の具体的な実施形態の説明を検討する際に、当該技術分野の当業者に明白となるであろう。 Other aspects, features and advantages of the present invention will become apparent to those skilled in the art when considering the following description of specific embodiments of the invention in conjunction with the accompanying drawings.
ここで用いられる際、
●「電極アレイ」は、任意のパターンで形成された少なくとも二つの電極を意味する。これらの電極は相互接続されるか、独立に配線されてよい。
When used here,
● “Electrode array” means at least two electrodes formed in an arbitrary pattern. These electrodes may be interconnected or wired independently.
●「センサーアレイ」は、同一又は異なるセンサーからなるセンサーの配列を意味する。 ● “Sensor array” means an array of sensors consisting of the same or different sensors.
●「結合される」は、化学的に又は機械的に、或いは別の方法で、ともに保持されることを意味する。 ● “Coupled” means held together chemically or mechanically or otherwise.
●「フェロセン化合物」は、フェロセン基を含む化学化合物を意味する。フェロセン基は化学式C5H5FeC5H4−を有する。フェロセン化合物の例には、フェロセン(C5H5FeC5H5)やベンゾイルフェロセン(C5H5FeC5H4COC6H5)が含まれる。 ● “Ferrocene compound” means a chemical compound containing a ferrocene group. Ferrocene group has the formula C 5 H 5 FeC 5 H 4 - have the. Examples of ferrocene compounds include ferrocene (C 5 H 5 FeC 5 H 5) and benzoyl ferrocene (C 5 H 5 FeC 5 H 4 COC 6 H 5).
概要を示すと、センサーアレイ集積型電気化学チップは電極アレイを備えていてよい。電極のアレイのうちの少なくとも一つの電極は、ベンゾイルフェロセンでドープされた脂質二重膜(s−BLM)等のフェロセン化合物でドープされた被膜により被覆されてよい。これらの電極はベースプレート上に形成してよい。そのベースプレートはカバープレートに結合されてよい。ベースプレートは、ベースプレートとカバープレートとにより形成されるキャビティ内に電極のアレイが配置されるように、開口部を有する。カバープレートの開口部は、窓又はくぼみであってよい。これらの電極は相互接続されるか、独立に配線されてよい。電極と接続線は、ベースプレートの同じ表面上に形成してよい。 In summary, a sensor array integrated electrochemical chip may include an electrode array. At least one electrode of the array of electrodes may be coated with a coating doped with a ferrocene compound, such as a lipid bilayer (s-BLM) doped with benzoylferrocene. These electrodes may be formed on the base plate. The base plate may be coupled to the cover plate. The base plate has an opening so that an array of electrodes is disposed in a cavity formed by the base plate and the cover plate. The opening of the cover plate may be a window or a recess. These electrodes may be interconnected or wired independently. The electrode and the connecting line may be formed on the same surface of the base plate.
フェロセンドープ被膜は、電気抵抗が高い。よって、フェロセンドープ被膜で被覆された電極の抵抗は、被覆されていない電極又は従来の非ドープs−BLMで被覆された電極の電気抵抗と比べて高い。電極を被覆する被膜の電極抵抗の増加は、ドープ濃度及びフェロセン化合物の酸化の度合いにより制御することができる。この点に関して、ドープフェロセン化合物を酸化すると抵抗が増すことが分かっている。適切な抵抗に関しては、センサーのS/N比を増加することができる。 The ferrocene-doped film has a high electric resistance. Thus, the resistance of an electrode coated with a ferrocene-doped coating is high compared to the electrical resistance of an uncoated electrode or an electrode coated with a conventional undoped s-BLM. The increase in the electrode resistance of the coating covering the electrode can be controlled by the doping concentration and the degree of oxidation of the ferrocene compound. In this regard, it has been found that oxidation of doped ferrocene compounds increases resistance. For appropriate resistance, the S / N ratio of the sensor can be increased.
図1及び図2は、ベースプレート12とカバープレート14とを備えた電気化学チップ10を模式的に示している。複数の電極16のアレイは、ベースプレート12上に形成される。カバープレート14は開口部、即ち窓17を有する。ベースプレート12とカバープレート14とは、共にキャビティ、即ち反応室18を、電極16のアレイが反応室18内にあるように規定する。
1 and 2 schematically show an
適宜、一又は複数のカンチレバー20を、外部の対向及び参照電極の少なくとも一方のような不図示の外部電極の支持体として、カバープレート14上に備えることができる。各外部電極を、カンチレバー20の開口部22に挿入し、反応室18に伸ばしてもよい。
Optionally, one or
電極16は、すべて作用電極であってよい。或いは、一又は複数の対極及び一又は複数の参照電極の少なくとも一つを含んでいてよい。各電極16は、プリント配線板(PCB)26上の複数のコンタクトホール24を介して、個々に電気的に制御されてよい。PCB26は、外部の電気機器及び電子機器の少なくとも一方に対して、電気的な入出力接続を提供する。当該技術分野の当業者により理解されるように、電極とコンタクトホール24との接続には、ボンディングパッドと導電線(「ランナー」としても知られる)が通常用いられる。外部機器は、コンタクトホール24を介して電極に接続してもよい。或いは、ボンディングパッドと導電線は、電極を外部装置に直接接続してもよい。ボンディングパッドと導電線は、ベースプレート12上に形成することもできる。しかしながら、分かりやすくするために、電極16をコンタクトホール24に接続するボンディングパッドと導電線は、図1に図示しない(但し、図7には図示している)。
The
電気化学チップ10は、特定用途に適した様々な大きさ及び形状であってよい。例えば、電気化学チップ10は、1×1cmから2×2.25cmの間で変動するチップサイズであってよく、6×6mmから2×44mmの間で変動するチャンバーエリアを備える。
5×5のパターンの電極のアレイを図1に示すが、電極16のアレイは、その用途に応じて、あらゆる適当な電極のパターン又は電極数を有してよい。電極16は、正方形、長方形、円形、卵形等の各種形状であってよい。また電極16は様々な大きさであってよく、長さ及び幅が90μmより小さくなるぐらいに非常に小さく作ることができる。直径10μmから90μmをテストすることで、これらの大きさが適当であることが分かった。通常、各作用電極は、1×10−7から1×10−4cm2又はそれ以下の表面積を有してよい。生化学的用途においては、大きさが小さいほど好ましい場合が多い。電極16は、その用途に応じて、様々な電極間距離のスペースが均一に又は不均一に空けられている。例えば、10から100μmの範囲の電極間距離が、例となる電気化学チップにおいて適切であることが分かった。チップ10のピクセルサイズも異なっていてよい。0.25mmの長さのピクセルが、典型的な電気化学チップに適切であることが分かった。
Although an array of 5 × 5 patterned electrodes is shown in FIG. 1, the array of
図2に示すように、ベースプレート12は、結合材38によりカバープレート14と結合してよい。
As shown in FIG. 2, the
ベースプレート12は、ベースウェハ30、第1絶縁層32、導電層34及び第2絶縁層36を含む。ベースウェハ30は、シリコン、又はガラス、プラスチック、ポリマーシート、セラミック及び半導体材料等のその他の適切な材料で作られてよい。第1絶縁層32及び第2絶縁層36は、同じ材料で作られていてもよいし、又は異なる材料で作られていてもよい。第1絶縁層32及び第2絶縁層36に適した材料として、二酸化ケイ素、窒化ケイ素並びにその他の適切な有機材料及び無機材料が挙げられる。生化学的用途で使用するためには、露出している材料(ウェハ44並びに第1絶縁層32及び第2絶縁層36のうちの覆われていない部分)が、所望の電解質、及び生物学的テスト溶液又は生化学的テスト溶液と適合するべきである。第1絶縁層32及び第2絶縁層36は、十分に絶縁できる程度の厚さがあるべきである。第1絶縁層32及び第2絶縁層36の夫々は、0.1から5μmの厚さがあってよい。導電層34は、Cr、Au及びTi等の適切な導電材料から構成されてよく、それ自体が層状になっていてよい。例えば、導電層34は、Cr又はTi層の上にAu層を設けて形成されてよい。電極アレイ16は、導電層34から形成される。前述した電極を外部装置に接続するための導電線も、導電層34から形成されてよい。少なくとも一つの電極16は、ベンゾイルフェロセンでドープされた脂質二重膜(s−BLM)等の、フェロセン化合物でドープされた被膜28で被覆されてよい。必要ならば、複数の電極16の幾つか又はすべてが、フェロセンでドープされた被膜で被覆されてよい。
The
カバープレート14は、ウェハ44とマスク層40、42、46及び48とを含む。ウェハ44は、ウェハ30のように、シリコン又はその他の適切な材料で作られてよい。マスク層40、42、46及び48は、ウェハ44上に蒸着されて、エッチングの間にウェハ44をマスキングする。ウェハ44が、湿式化学法でエッチングされるべきならば、図2に示すように、二つのマスク層がウェハ44の両側に蒸着されてよい。内側のマスク層42及び46は熱酸化物層であってよく、外側のマスク層40及び48は、低圧CVDにより蒸着された窒化ケイ素層であってよい。マスク層42及び46は0.03から1μmの厚さであってよい。マスク層40及び48は、0.1から2μmの厚さであってよい。ウェハ44を、乾式化学法でエッチングするべきならば、夫々の側に単一のマスク層があれば十分である。この単一マスク層は、フォトレジスト、酸化ケイ素、窒化ケイ素及びその他のドライエッチングに適切な物質等の材料で形成されてよい。一又は複数のマスク層40、42、46及び48は、エッチング後に取り除いてよい。しかしながら、加工工程を簡単にするために、マスク層をそのまま保持してよい。
ベースプレート12及びカバープレート14を形成する手法の例を、図3Aから3C及び図4Aから4Dに示す。
Examples of techniques for forming the
図3Aを参照すると、第1絶縁層32をシリコンウェハ30に蒸着し、支持体を形成する。次に導電層34を第1絶縁層32の上に蒸着する。任意の適切な蒸着技術を用いることができる。
Referring to FIG. 3A, a first insulating
図3Bを参照すると、次に、導電層34のパターン化及びエッチングを行い、電極アレイ16、複数のボンディングパッド、各電極を一のボンディングパッドに接続する回路線を形成する。リソグラフィー技術等の標準的な半導体マイクロ加工技術を用いてよい。
Referring to FIG. 3B, the
図3Cを参照すると、次に、第2絶縁層36を導電層34の上に蒸着する。次に、第2絶縁層36をエッチングし、電極アレイ16及びボンディングパッドを露出させる。二つの結合するプレートが接触する部分となる電極アレイ16の周縁付近の領域では、第2絶縁層36をエッチングで除去されない。図2に示すように、カバープレート14と境界を接する残された絶縁層36で、カバープレート14がベースプレート12と結合する。
Referring to FIG. 3C, a second insulating layer 36 is then deposited on the
図4Aを参照すると、マスク層42及び46、次にマスク層40及び48をウェハ44の両側に順次蒸着することにより、カバープレート14を形成するための支持体を形成する。ウェハ44はシリコンで作られてよい。絶縁層は、低圧CVD技術により形成されてよい。
Referring to FIG. 4A, mask layers 42 and 46 and then mask layers 40 and 48 are sequentially deposited on both sides of the
図4Bを参照すると、リソグラフィー技術等の標準的な半導体マイクロ加工技術を用いて、マスク層40、42、46及び48から、反応室18用の窓エリアと、ボンディングパッド用のエリアと、カンチレバー20用のエリアとが、エッチングにより除去され、これらのエリアにおいてウェハ44が露出する。
Referring to FIG. 4B, using standard semiconductor microfabrication techniques such as lithography techniques, from mask layers 40, 42, 46 and 48, a window area for
図4Cを参照すると、カバープレート14をベースプレート12に結合する際にベースプレート12から離れて対向する前面側(図における上部側)から、ウェハ44をエッチングする。開口領域内では、ウェハ44を10μmよりも厚くエッチングしてよい。図4Dを参照すると、次に、カバープレート14がベースプレート12に結合する際にベースプレート12に対向する後ろ側(図の底部側)から、ウェハ44をエッチングする。ウェハ44の側面の外部側もエッチングを行い、ボンディングパッドを露出させてよい。ウェハ44をエッチングするために、KOH湿式化学エッチング又はシリコンドライエッチング等の技術を用いてよい。
Referring to FIG. 4C, the
前述のように、一又は複数のマスク層40、42、46及び48をエッチング後に取り除いてよい。 As described above, one or more mask layers 40, 42, 46 and 48 may be removed after etching.
図2に戻って、次に、2003年1月7日に発行されたChen et al.の米国特許6,503,847(「Chen」)により教示されるような技術を用いて、カバープレート14の窓17を電極アレイ16の上側にして、ベースプレート12とカバープレート14を結合させることができる。この米国特許の内容は、参照することにより本明細書に組み込まれる。特に、Chenで教示されるように、希釈されたポリジメチルシロキサン(PDMS)溶液を用いてもよい。次に、マスク層40の表面(或いは、マスク層40及び42を取り除いた場合はウェハ44の後ろ側)を、PDMSでスピンコートする。PDMS被膜は、1から400μmの厚さがあってよい。被覆工程の間、ウェハ44の前面側は、PDMSにより被覆されることを防ぐために、ポリマーフィルムでラミネート加工されてよい。PDMSを半硬化するまで予め硬化させた後に、カバープレート14の位置をベースプレート12に合わせ、PDMSが完全に硬化するまで、これらの二つのプレートを互いに向かって押し付けてよい。理解できるように、図2には(明確にするために)図示しないが、カバープレート14の後ろ側と窓17の内面は、結合後にPDMS層で被覆される。都合のよいことに、PDMS層は生体適合性材料であるので、ウェハ30とマスク層とが生体適合性を有していなくても、チップ10は生体適合性を有することとなる。
Returning to FIG. 2, the
理解できるように、ベースプレート及びカバープレートの複数対を、二つのウェハから同時に形成することができる。複数対を形成する場合、ダイシング等により、PDMSを完全に硬化させた後に個々の対を切り離すことができる。その後、各対はPCBにワイヤーボンディングされてよい。 As can be appreciated, multiple pairs of base plates and cover plates can be formed simultaneously from two wafers. In the case of forming a plurality of pairs, the individual pairs can be separated after the PDMS is completely cured by dicing or the like. Each pair may then be wire bonded to the PCB.
前述のように、ベンゾイルフェロセンでドープされたs−BLM等のフェロセン化合物ドープ被膜で、一又は複数の電極16を被覆する。被膜は、各種の方法を用いて電極16上に蒸着されてもよい。ベンゾイルフェロセンをドープしたs−BLMで電極16を被覆する典型的な手順は、以下の通りである。
As described above, one or
ベンゾイルフェロセンとジミリストイルL−α−ホスファチジルコリン(DMPC)を分析用クロロホルムに溶解し、ベンゾイルフェロセンとDMPCの濃度が0.1から10mg/mlの範囲内にある脂質溶液を作成する。例えば、夫々の濃度が、1mg/mlと2mg/mlであってよい。 Benzoylferrocene and dimyristoyl L-α-phosphatidylcholine (DMPC) are dissolved in analytical chloroform to make a lipid solution in which the concentration of benzoylferrocene and DMPC is in the range of 0.1 to 10 mg / ml. For example, the respective concentrations may be 1 mg / ml and 2 mg / ml.
電気化学チップ10を洗浄する。例えば、チップ10を、アルコールと脱イオン水中で夫々5分間続けて超音波分解し、その後チップ10を風乾する。
The
マイクロシリンジで脂質溶液を20μlずつ滴下するなどして、少量の脂質溶液を電極表面に塗る。 Apply a small amount of lipid solution to the electrode surface, for example, by dropping 20 μl of the lipid solution with a microsyringe.
電極上のクロロホルムを、空気中室温で徐々に蒸発させる。 Chloroform on the electrode is gradually evaporated in air at room temperature.
リン酸緩衝液(PBS)1mlを脂質で被覆された電極16上に移す。但し、リン酸緩衝液は8g/l NaCl、0.2g/l KCl、1.44g/l Na2HPO4、及び0.24g/l KH2PO4を含有し、pH値は7.4である。リン酸緩衝液は、脂質二重膜が安定する任意の適切な中性水溶液であってよい。
1 ml of phosphate buffer (PBS) is transferred onto the
吸収ドープ方法及び拡散ドープ方法等の、その他の適切なドープ工程を採用してもよい。しかしながら、ドープ工程がs−BLMの特性に悪影響を与えるべきではないことが理解できるであろう。 Other suitable doping processes such as absorption doping and diffusion doping may be employed. However, it will be appreciated that the doping process should not adversely affect the properties of the s-BLM.
理解できるように、ベンゾイルフェロセンドープs−BLMは、電極上のPBS溶液中において、(分子自己集合により)自然に形成されるであろう。 As can be seen, benzoylferrocene-doped s-BLM will spontaneously form (by molecular self-assembly) in PBS solution on the electrode.
実験により、s−BLM被膜の電気抵抗は、ベンゾイルフェロセンでドープされる場合には、ドープされない場合よりも高くなることが分かった。また、ドープベンゾイルフェロセンを酸化させると電気抵抗を更に増加させることができることも分かった。 Experiments have shown that the electrical resistance of the s-BLM film is higher when doped with benzoylferrocene than when undoped. It has also been found that the electrical resistance can be further increased by oxidizing the doped benzoylferrocene.
還元反応を被膜上で起こすようなフェリシアン化カリウム(K3[Fe(CN)6])を含むPBS等の電解質溶液中に電極16が浸漬される際に、例えば−0.3から+0.8Vまでサイクリック電位変化(cyclic potential change)を電極16が受けることにより、被覆したs−BLMにおけるベンゾイルフェロセンを酸化できる。
When the
被膜中のベンゾイルフェロセンが酸化されたか否かは、還元反応に対する電極の電流応答を調べることで、容易に検査できる。電流応答が小さい場合は、酸化されている。電流応答が大きい場合は、完全には酸化されていない。 Whether or not the benzoylferrocene in the film is oxidized can be easily inspected by examining the current response of the electrode to the reduction reaction. If the current response is small, it is oxidized. If the current response is large, it is not fully oxidized.
都合のよいことに、電極16における電気抵抗は、s−BLM被膜におけるベンゾイルフェロセンの酸化の度合いを制御することで制御可能である。更に、ベンゾイルフェロセンの酸化は不可逆であることが実験により分かった。即ち、一度酸化すると、ベンゾイルフェロセンは酸化されたままであり、従って、電極界面において安定した電気抵抗が生じることとなる。(しかしながら、ベンゾイルフェロセンが完全に酸化していない場合、電極に印加される電位が酸化電位よりも高いと、ベンゾイルフェロセンは更に酸化される)。
Conveniently, the electrical resistance at
被膜の抵抗はまた、ドーパント濃度を調整することで制御可能である。 The resistance of the coating can also be controlled by adjusting the dopant concentration.
その他のフェロセン化合物を用いてs−BLM被膜をドープしてもよい。例えば、フェロセン(C5H5FeC5H5)、又は1,1’[(4,4’−ビピペリジン)−1,1’−ジイルジカルボニル]−ビス[1’−(メトキシカルボニル)フェロセン]を用いてよい。 Other ferrocene compounds may be used to dope the s-BLM film. For example, ferrocene (C 5 H 5 FeC 5 H 5), or 1,1 '[(4,4'-bipiperidine) -1,1'-diyl di-carbonyl] - bis [1' - (methoxycarbonyl) ferrocene] May be used.
更に、s−BLMを、電極16の表面で変形、固定化又は自己集合可能であり、フェロセン含有化合物をドープ可能な、任意の適切な有機ポリマー又は膜等のその他の物質に置換してよい。有利なことに、ドープ脂質膜は、酵素の存在下でその生体適合性微環境を保持する。従って、センサーが生化学的用途に適したものとなる。
Further, the s-BLM may be replaced with other suitable materials such as any suitable organic polymer or film that can be deformed, immobilized or self-assembled on the surface of the
被膜は、採用される検出機構の種類によって、透過性を有していてもよいし、又は不透性を有していてもよい。例えば、透過性被膜を、アンペロメトリ型センサーに用いてもよく、一方、不透性被膜を、抵抗又はインピーダンス型センサーに用いてもよい。 The coating may be permeable or impermeable depending on the type of detection mechanism employed. For example, a permeable coating may be used for an amperometric sensor, while an impermeable coating may be used for a resistance or impedance sensor.
異なる複数の電極16を、異なる材料又は異なる酸化状態を有する類似の材料を含む被膜のような異なる複数の被膜で被覆することもできる。
動作の際、電気化学チップ10は、コンタクトホール24を介して、外部制御機器及びデータ取込機器に配線される。反応室18は液体で満たされている。流動体中で特定の還元反応が起こっているか、及び/又はどのくらい早く起こっているかを判断するための電気信号を検出できるように、電気化学センサー又はセンサーアレイに典型的な方法で、電極にバイアスをかける。よって、一又は複数の特定目標物質が流動体中に存在するかどうか、又はその物質の濃度が判断される。必要であれば、カンチレバー20により支持される外部対向電極及び外部参照電極のうちの一方又は両方を用いてよい。電極16のすべてを作用電極として用いてよい。或いは、電極16のうちの一又は複数の電極を、対向電極又は参照電極として用いてよい。
In operation, the
理解できるように、電気化学チップ10は加工しやすい。二枚板構造が、電極アレイ16の形成を容易にする。導電層34を平らな表面上にに設け、その後エッチングして個々の電極を形成できるからである。同様に、ボンディングパッドや接続線等の、その他の金属化合物が容易に形成される。反応室18を広くすることも可能であり、ウェハ44の厚さと同じくらい深くできる。二つのウェハを用いているので、単一のウェハチップ上に取り付けるよりも多くの電子デバイスを電気化学チップ10の上に取り付けてよい。
As can be appreciated, the
都合のよいことに、作用電極、対向電極及び参照電極を含むすべての電極を、同じ導電層34上の同じ材料で形成できる。とはいえ、異なる材料で作られた任意の対向及び参照電極を設けて、カンチレバー20で支持してよい。
Conveniently, all electrodes, including the working electrode, counter electrode and reference electrode, can be formed of the same material on the same
電極16のすべてが一つの反応室18に設置されているので、同時検出又はテストが可能である。これにより、サンプルの使用量と分析時間を減少させることができる。同じサンプルの他成分を同時にテストすることができる。或いは、複数の電極から得られるデータを組み合わせて、より正確な又は信頼できる結果を得ることができる。
Since all of the
理解できるように、電極をフェロセン化合物でドープされた被膜で被覆しなくても、加工工程は簡単で安価であるため、ここで教示するように電気化学チップを形成することは有利である。 As can be appreciated, it is advantageous to form an electrochemical chip as taught herein, since the process is simple and inexpensive without coating the electrode with a coating doped with a ferrocene compound.
電気化学チップ10は、電気化学検出以外の用途で用いてもよい。例えば、AC又はDC電気測定に複数の電極を用いることができる。
The
上記に明記しなかった本発明におけるその他の態様と特徴と利益は、この実施例の説明と添付図面から、当該技術分野の当業者により理解されうる。 Other aspects, features and benefits of the present invention not specifically described above can be understood by those skilled in the art from the description of this embodiment and the accompanying drawings.
当該技術分野の当業者により理解されうるように、ここに記載の典型的な実施例に対して多くの変形が可能である。例えば、導電層34(ゆえに複数の電極16)は、Au、Pt、Agインジウムスズ酸化物(ITO)等の任意の適切な金属又は合金、或いは導電ポリマー等で作られてよい。層38用の結合材は、任意の適切な生体適合性材料及び化学的抵抗物質であってよい。
Many variations on the exemplary embodiments described herein are possible as will be appreciated by those skilled in the art. For example, the conductive layer 34 (and hence the plurality of electrodes 16) may be made of any suitable metal or alloy, such as Au, Pt, Ag indium tin oxide (ITO), or a conductive polymer. The binder for
ベースプレート12及びカバープレート14は、化学的に結合している必要はない。反応室18からの漏れがないように、ベースプレート12及びカバープレート14を単に積み重ねて、機械的に保持してもよい。その場合、結合層38を省略してよい。
The
更に、カバープレート14は、図2及び図4A−4Dに示したものとは異なる窓形状を有していてもよい。例えば、カバープレート上の窓は、前面側からみた場合に、正方形以外の形状であってよい。更に、カバープレート上の窓は、完全に開かれている必要はない。例えば、図5は、別のセンサーアレイ集積型電気化学チップ10’を示す。ここで、カバープレート14’の開口部を片側だけエッチングすることで、くぼみが形成される。カバープレート14及びベースプレート12’を結合して、キャビティ、即ち反応室18’を形成する。サンプル液体は、カバープレート14’のチャネル50を通って、反応室18’の中と外へ流れることができる。カバープレート14’の後ろ側すべてと反応室18’の側壁は、PDMS等の生体適合性材料38’で被覆してよい。
Furthermore, the
カンチレバーがないその他の代替カバープレート14’’を図6に示す。カバープレート14’’のシリコンウェハは、上部又は底部からエッチングしてよい。
Another
必要であれば、複数の電極16は、反応室18の側壁に形成されてもよい。
If necessary, the plurality of
図7に示すように、電極16’を平行に相互接続し、二以上のグループにグループ化してもよく、電極の各グループを、複数の接続線54を介して通常のボンディングパッドに接続してよい。図に示すように、接続線の夫々は、一の電極から電極アレイの周縁部をこえて外側に伸びている。
As shown in FIG. 7, the
ベースプレートとカバープレートが、生体適合性のない結合材で結合されている場合、生体適合性があり化学的に不活性な材料の層を、該層をベースプレートに結合させる前に、カバープレートにおける窓の側壁に設けてよい。これにより、生体適合性のある内面を反応室に設けることができる。 If the base plate and the cover plate are joined with a non-biocompatible binder, a layer of biocompatible and chemically inert material is added to the window in the cover plate before the layer is joined to the base plate. You may provide in the side wall. Thereby, a biocompatible inner surface can be provided in the reaction chamber.
本発明は、請求の範囲で規定されるように、その範囲内でこのようなすべての変形を包含するものである。 The present invention includes all such variations within its scope as defined by the claims.
本発明の典型的実施例を例示する図面は次の通りである。
Claims (30)
開口部を有しており、且つ前記電極のアレイが内部に配置されるキャビティを前記第1プレートと共に形成するように前記第1プレートに結合される第2プレートと
を更に備えることを特徴とする請求項1に記載のセンサーアレイ集積型電気化学チップ。 A first plate comprising an array of said electrodes;
And a second plate coupled to the first plate to form a cavity with the first plate in which the array of electrodes is disposed. The sensor array integrated electrochemical chip according to claim 1.
第2支持体の開口部をエッチングすることにより、第2プレートを形成する第2プレート形成工程と、
前記電極のアレイが内部に配置されるキャビティを前記第1プレートと前記第2プレートとが形成するように前記第2プレートを前記第1プレートに結合させる結合工程と
を備えることを特徴とする電気化学チップの形成方法。 A first plate forming step of forming a first plate by depositing a conductive layer on a first support and etching the conductive layer to form an array of electrodes;
A second plate forming step of forming a second plate by etching the opening of the second support;
A coupling step of coupling the second plate to the first plate such that the first plate and the second plate form a cavity in which the array of electrodes is disposed. Chemical chip formation method.
前記第2プレートは前記導電層を覆う絶縁層で前記第1プレートと結合することを特徴とする請求項22に記載の電気化学チップの形成方法。 A vapor deposition step of vapor-depositing an insulating layer covering the conductive layer around the periphery of the electrode array;
The method according to claim 22, wherein the second plate is bonded to the first plate with an insulating layer covering the conductive layer.
前記金属アレイの少なくともいくつかの要素を、フェロセン化合物でドープされた脂質二重膜で被覆する被覆工程と、
を備えることを特徴とする電気化学チップの形成方法。 A metal array forming step of forming a metal array;
A coating step of coating at least some elements of the metal array with a lipid bilayer doped with a ferrocene compound;
A method of forming an electrochemical chip comprising the steps of:
開口部を有しており、且つ前記複数の電極が内部に配置されるキャビティを前記第1プレートと共に形成するように前記第1プレートに結合される第2プレートと
を備えることを特徴とするセンサーアレイ集積型電気化学チップ。 A first plate comprising an array of electrodes;
And a second plate coupled to the first plate so as to form a cavity in which the plurality of electrodes are disposed together with the first plate. Array integrated electrochemical chip.
The first plate extends outwardly from one electrode of the electrode array beyond the periphery of the electrode array on the same surface of the first plate on which the array of electrodes is formed. 28. The sensor chip integrated electrochemical chip according to claim 27, comprising a plurality of conductive lines.
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